Электрическое освещение стимулирует рождение практической электротехники

Стр 1 из 5Следующая ⇒

МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

ЛЕКЦИЯ № 1. 1

История электротехники. Введение. 1

Электрическое освещение стимулирует рождение практической электротехники. 2

Потребность в электрических машинах переменного тока. 12

«Трансформаторные биты». 15

Поиски путей передачи электроэнергии на большие расстояния. 20

Электроэнергия становиться товаром. Ранние электростанции. 25

Развитие теории электрических цепей. 33

Литература. 36

ЛЕКЦИЯ № 1

История электротехники. Введение

Ранняя стадия развития теории электромеханических систем была связана с разработкой научных основ электрификации отраслей промышленности и улучшением энергетических показателей электроприводов, а также совершенствованием систем их автоматического управления. Этот процесс продолжался до 1940-х годов. Бурное развитие электромашинных и электромагнитных систем автоматики в 1940–1960-е гг. позволило не только существенно повысить надежность ЭМС, но и формировать более сложные законы управления их движением. Поэтому в эти годы в теории электропривода в качестве центральной проблемы рассматривают изучение и формирование рациональных динамических режимов работы электродвигателей с применением замкнутых систем управления. Исследуются динамические свойства элементов управления электромашинными и магнитными усилителями, предлагаются способы реализации разнообразных корректирующих устройств, расширяется использование методов теории автоматического управления при исследовании и проектировании различных электромеханических систем.

В 1960–1970-е гг. благодаря развитию промышленной электроники и силовой полупроводниковой техники начинается существенное изменение технической базы электропривода. В связи с этим совершенствуется электрический двигатель как электромеханический преобразователь энергии. Применение в силовой части привода разнообразных статических преобразователей резко повышает быстродействие электромеханических систем. Расширяется использование электронных полупроводниковых систем управления. Все это в совокупности приводит к большей восприимчивости электромеханических систем к различным динамическим нагрузкам, в том числе, обусловленных упругими механическими колебаниями и влиянием, зазоров в передаточных механизмах и элементах рабочей машины.

В 1970–1980-е гг. в теории электромеханических систем появились новые проблемы, обусловленные широким использованием разнообразных нетрадиционных электромеханических преобразователей, внедрением средств вычислительной техники в системы управления и автоматизации, реализацией дополнительных функций, выполняемых электроприводами, необходимостью создания систем их автоматизированного проектирования.

Комплексное развитие управляемых ЭМС потребовало решение ряда взаимосвязанных проблем.

Первая проблема – расширенное изучение свойств новых конструкций электромеханических преобразователей, таких, как электромагнитные, пьезокерамические и другие типы двигателей.

Вторая проблема – необходимость разработки новых методов исследования динамики систем привода и новых принципов конструирования электромеханических комплексов, включая создание систем диагностики их элементов.

Третья проблема – необходимость отказа от традиционных методов расчета характеристик элементов, в целом, привода и разработок новых методик, ориентированных на машинные методы автоматизированного проектирования и их программного обеспечения.

В 1980–1990-е гг. заканчивается формирование состава комплектных электроприводов, силовая часть и компьютерные технологии, управления которых во многих случаях являются функционально и информационно избыточными. Однако все ведущие электротехнические фирмы начинают выпускать такие привода. Поэтому основной задачей в этот период становится наиболее рациональное использование возможностей современных ЭМС и многочисленных пакетов программ для их исследования и проектирования.

На всех этапах развития электромеханических систем требовалось проведение разносторонних научных исследований, направленных на познание общих свойств этого технического объекта, на разработку методов расчета его характеристик и рабочих режимов, а также на обоснование способов рационального выбора элементов и оптимального проектирования системы в целом. Обобщенные результаты этих исследований и разработок составляют содержание теории электрического привода.

Электрическое освещение стимулирует рождение практической электротехники

Электротехнические устройства не выходили за пределы лабораторий, пока не было достаточно мощного и экономичного источника электрической энергии и массового потребителя. К 1870 г. такой источник был создан. Следующие за этой датой 15—20 лет прошли как годы зарождения основных электротехнических устройств массового промышленного и бытового назначения, как годы становления новой отрасли техники. Это был «героический» период истории электротехники.

Первым по-настоящему массовым потребителем электрической энергии явилась система электрического освещения. Электрическая лампа и по нынешний день осталась самым распространенным электротехническим устройством.

В течение первой половины XIX в. господствующее положение занимало газовое освещение, имевшее существенные преимущества перед лампами с жидким горючим: централизация снабжения установок светильным газом, сравнительная дешевизна горючего, простота газовых горелок и простота обслуживания. Но по мере развития капиталистического производства, роста городов, строительства крупных производственных зданий, гостиниц, магазинов, зрелищных помещений оно все менее удовлетворяло требованиям практики, так как было опасно в пожарном отношении, вредно для здоровья, а сила света отдельной горелки была мала. Особенно недостатки газового освещения стали сказываться на крупных предприятиях с большим числом рабочих, занятых на производстве по 12 — 14 часов в сутки, вызывая резкое снижение производительности труда.

Поэтому вполне своевременными, отвечавшими социальному заказу общества были попытки создать электрические источники света, вскоре решительно вытеснившие все иные источники. Как пример опрометчивого и недальновидного выступления укажем на высказывание одного из крупнейших электриков, главного инженера фирмы Грамма Ипполита фон гена, который издал книгу «Электрическое освещение*. Там находим следующие слова: «Для жилых помещений газовое освещение является самым приятным, удобным и дешевым. Электрическое освещение, возможно, найдет применение для отдельных больших комнат и в парадных квартирах, но это будет такими редкими исключениями, что излишне обращать на них внимание... Никогда электрический свет не нанесет ущерба газу, масляным лампам и свечам». Фонтен ошибся. И лишь как напоминание о тех временах сохранились до наших дней в некоторых западноевропейских городах газовые фонари, создающие своеобразный городской уют и атмосферу исторического музея.

Развитие электрического освещения шло по двум направлениям: конструирование дуговых ламп и ламп накаливания.

Вполне естественно начать историю электрического освещения с упоминания об опытах В. В. Петрова в 1802 г., которыми (как уже отмечалось) было установлено, что при помощи электрической дуги «темный покой довольно ясно освещен быть может». Тогда же, в 1802 г., Дэви в Англии демонстрировал накал проводника током.

Электрическая или «вольтова» дуга представляла собой в буквальном смысле яркое проявление электрического тока и в первой половине XIX столетия она часто демонстрировалась в лабораториях и на лекциях об электричестве. Принципиальными недостатками дугового источника являются: открытое пламя (и отсюда — пожарная опасность), огромная сила света и необходимость регулирования дугового промежутка по мере сгорания углей.

Рис. 1 Дуговая лампа с ручным регулированием и батарея гальванических элементов

В 1844 г. французский физик Жан Бернар Фуко (1819—1868 гг.), именем которого названы открытые им вихревые токи, заменил электроды из древесного угля электродами из ретортного угля, что увеличило продолжительность горения лампы. Регулирование оставалось еще ручным (рис. 1). Такие лампы могли получить применение лишь в тех случаях, когда требовалось непродолжительное по времени, но интенсивное освещение, например, при подсветке предметного стекла микроскопа, при устройстве сигнализации в маяках или театральных эффектах. Легко себе представить восторг (а может быть и испуг) зрительного зала, когда в Парижском оперном театре в 1847 г. по ходу спектакля (а давали оперу Мейербера «Пророк») восход солнца имитировался с помощью дуговой лампы.

Дальнейшая история дугового электрического освещения связана с изобретениями различных механических и электромагнитных регуляторов, о чем уже рассказывалось в конце предыдущей главы.

Идея дифференциального регулятора Чиколева, получившего широкое применение в прожекторостроении, была использована другими конструкторами, в частности немецким фабрикантом 3. Шуккертом. Крупносерийный выпуск дуговых ламп с дифференциальным регулятором начали производить в конце 70-х годов заводы Сименса (с которыми объединились заводы Шуккерта), и такая лампа стала продаваться под наименованием «дуговая лампа Сименса».

С 80-х годов дифференциальные дуговые лампы стали единственным типом дуговых источников света, которые применялись для освещения улиц, площадей, гаваней, а также для освещения больших помещений производственного или общественного назначения, они стали обычными источниками света в прожекторной и светопроекционной технике.

Особое место среди дуговых источников света занимает «электрическая свеча» Павла Николаевича Яблочкова (1847— 1894). Изобретение, о котором пойдет речь, не привело к массовому и устойчивому применению именно этого источника света, но оно заслуживает особой оценки и отдельного рассказа, поскольку именно «электрическая свеча» явилась тем детонатором, который вызвал бурный рост электротехнической промышленности.

П. Н. Яблочков был военным инженером, выпускником Глав, ною инженерного училища в Петербурге. Окончание им училища совпало по времени с появлением динамомашины, и молодой офицер, заинтересовавшись электротехникой, вскоре поступил в Техническое гальваническое заведение, в котором готовились военные электротехники. Желая посвятить себя полностью работам по электротехнике, Яблочков выходит в отставку и занимает, исследованиями в созданной им в Москве мастерской физических приборов.

Осенью 1875 г. Яблочков проводил опыт электролиза поваренной соли. Два угольных электрода были расположены параллельно, и однажды, когда электроды на мгновение коснулись друг друга в нижних своих частях, между ними возникла электрическая дуга. Яблочков вместе со своим помощником как завороженные наблюдали сквозь толстые стекла стеклянного сосуда яркое в буквальном смысле слова явление и «предоставили углям гореть до конца, а сосуду треснуть». Увидев длительное горение дуги между параллельными стержнями, изобретатель воскликнул, обращаясь к своему коллеге: «Смотри, и регулятора никакого не нужно».

Изобретение было важным, но гениально простым: чтобы избавиться от дорогах регуляторов нужно просто повернуть угли из встречного положения в параллельное. Необходимо было несколько дней, чтобы технически доработать изобретение. Но П. Н. Яблочков всю жизнь был плохим предпринимателем; его московская мастерская потерпела финансовый крах и ему угрожала долговая тюрьма. Спасая свое изобретение, он срочно переехал в Париж.

В Париже Яблочков познакомил со своей идеей крупного ученого и владельца завода по производству точных приборов Бреге, и уже 23 марта 1876 г. он получил патент на ставшую знаменитой «электрическую свечу».

Внешний вид электрической свечи показан на рис.2, где видно, что в держателе с токоподводами укреплялись два параллельных угольных стержня, отделенных один от другого слоем каолина. В верхней части лампы была тонкая проводящая перемычка — запал, когда включали лампу перемычка сгорала, на ее месте возникала дуга и угли выгорали, уменьшаясь в размерах как стеариновая свеча.

Рис.2 Электрическая свеча Яблочкова.

1- угольные электроды; 2- изолирующий слой; 3- зажимы для подключения к источнику электроэнергии.

П. Н. Яблочков стал очень известным человеком, в знак признания его работ появилось выражение «русский свет». В том же 1876 г. он организовал компанию по производству систем освещения, в которой вел работу в качестве технического руководителя. Первой операцией компании было освещение универсального магазина «Лувр» в Париже, затем ипподрома и, пожалуй, самое эффектное — освещение улицы Оперы. Изобретатель теперь стал богатым человеком. Его изобретение совершало триумфальное шествие по всему миру: за Парижем последовало освещение моста Ватерлоо в Лондоне, Гаварской гавани, казарм и кораблей в Кронштадте, Большого театра в Петербурге.

Для внедрения своей системы в Петербурге Яблочков уехал из Парижа, уплатив компании все сбережения за право эксплуатации своих изобретений в России. Но деятельность новой компании оказалась неуспешной, да и время триумфа электрической свечи быстро кончилось, появились более удобные лампы накаливания. Яблочков пережил большие лишения, сопровождавшиеся моральными переживаниями, и умер у себя на родине, в Саратове, в возрасте всего 47 лет, оставив семью без средств.

Но вернемся снова к изобретениям Яблочкова. Одна электрическая свеча могла гореть около 2 часов; при установке нескольких свечей в специальном фонаре, оборудованном переключателем. Для включения очередной свечи можно было обеспечить бесперебойное освещение в течение более длительного времени.

Изобретение электрической свечи способствовало внедрению в практику переменного тока. Электрическая техника предшествующего периода базировалась исключительно на постоянном токе (телеграфия, гальванотехника, минное дело). Дуговые электрические лампы с регуляторами также питались постоянным током. При этом положительный электрод сгорал быстрее отрицательно, поэтому его приходилось брать большего диаметра.

П. Н. Яблочков установил, что для питания свечи лучше применять переменный ток, в этом случае при электродах одинакового диаметра получалась вполне устойчивая дуга. В связи с тем, что осветительные установки по системе Яблочкова стали подключать к источникам переменного тока, заметно возрос спрос на генераторы переменного тока, которые раньше не находили практического применения. О значении электрической свечи в расширении производства электрических генераторов переменного тока можно судить по следующему примеру: если до появления электрической свечи завод Грамма выпускал в течение 1870—1875 гг. по несколько десятков машин в год, то за 1876 г. выпуск генераторов возрос почти до 1000 шт. Заводы изготовляли электрические генераторы, специально предназначенные для установок электрического освещения и даже мощность машин обозначалась по числу питаемых электрических свечей (например, «шестисвечная машина»).

Значительному развитию электротехники способствовала также и разработка Яблочковым нескольких весьма эффективных систем «дробления электрической энергии», обеспечивавших возможность включения в цепь, питаемую одним генератором, нескольких дуговых ламп.

Среди способов «дробления», предложенных Яблочковым, два получили практическое применение: секционирование обмотки якоря генератора (в результате получилось несколько независимых цепй, в которые включались свечи) и применение индукционных катушек (рис. 3). Первичные обмотки катушек включались последовательно в цепь, а во вторичную обмотку в зависимости от ее параметров могли подключаться одна, две и более свечей. Если первичная цепь питалась постоянным током, то предусматривалось включение в нее специального прерывателя для наведения ЭДС во вторичных обмотках катушек.

Рис. 3. Схема распределения электрической энергии с помощью индукционных катушек. 1- прерыватель, 2- индукционные катушки, 3- электросвечи.

Из рис.3 видно, что Яблочков использует индукционную катушку в качестве трансформатора. Схема интересна и тем, что в ней впервые получила свое оформление электрическая сеть с ее основными элементами: первичный двигатель — генератор — лилия передачи — трансформатор — приемник.

Но значение электрической свечи этим не исчерпывается. Изобретение дешевого приемника электрической энергии, доступного для широкого потребителя, потребовало решения еще одной важнейшей электротехнической проблемы — централизации производства электрической энергии и её распределения. Яблочков первым указал на то, что электрическая энергия должна распределяться подобно тому, как доставляются к потребителям газ и вода.

Дальнейший прогресс электрического освещения был связан с изобретением лампы накаливания, которая оказалась более удобным источником света, имеющим лучшие экономические и световые показатели.

Самая ранняя по времени лампа накаливания построена англичанином Деларю еще в 1809 г. (рис. 4). В этой лампе накаливалась платиновая спираль, находящегося в стеклянной трубке. Следующий шаг сделан в 1838 г., когда бельгиец Жобар стал накаливать угольные стержни в разреженном пространстве. Эта лампа была, конечно, дешевле, но срок ее службы был незначительным.

Рис. 4 Схема лампы накаливания Деларю

После 1840 г. предлагались многочисленные конструкции ламп накаливания: с телом накала из платины, иридия, угля или графита и т.д. В 1854 г. по улицам Нью-Йорка разъезжал немецкий эмигрант Гебель, на повозке которого находились подзорная труба и лампа накаливания. Последняя служила для привлечения публики, которая приглашалась взглянуть через подзорную трубу на кольца Сатурна. Замечательным было то, что источником света в лампе Гебеля служило обугленное бамбуковое волокно. Нить была помешена в верхнюю часть закрытой барометрической трубки, т.е. в разреженное пространство. Медные проводники подходили к нити накала сквозь стекло. Лампа Гебеля могла гореть в течение нескольких часов.

В 1860 г. изобретатель Сван (Англия) впервые применил для лампы накаливания обугленные полоски толстой бумаги или бристольского картона, накалявшиеся в вакууме.

В 1870—1875 гг. развернулись работы русского отставного офицера Александра Николаевича Лодыгина (1847—1923). Он решил построить летательный аппарат тяжелее воздуха, приводящийся в движение электричеством ("электролёт"). Вполне естественно, что освещаться этот аппарат должен был электричеством. Дуговая лампа по разным соображениям не подошла, и А. Н. Лодыгин стал конструировать лампу накаливания с тонким угольным стерженьком, заключенным в стеклянном баллоне (рис. 5). Стремясь увеичить время горения, Лодыгин предложил устанавливать несколько угольных стерженьков, расположенных так, чтобы при сгорании одного автоматически включался следующий.

Рис. 5. Электрические лампы накаливания Лодыгина. а- с одним угольным стержнем; б- с несколькими угольными стержнями разной длины (при перегорании крайнего правого стержня медная пластинка опускалась на следующий стержень и замыкала его)

Первая публичная демонстрация ламп Лодыгина состоялась а 1870 г., а в 1874 г. он получил русскую привилегию (авторское издательство) на свою лампу. Затем он запатентовал свое изобретение в нескольких странах Западной Европы. Постепенно он усовершенствовал лампы. Если первые лампы работал» 30- 40 мин, то со временем, когда он применил вакуумные колбы, срок службы увеличился до нескольких сотен часов. За изобретение лампы накаливания А. Н. Лодыгин был удостоен Ломоносовской премии Петербургской Академии наук.

Лодыгин, как и Яблочков, тоже был плохим предпринимателем, организовал товарищество для эксплуатации своего изобретения, оно увлеклось коммерческими операциями и развалилось, Лодыгин уехал во Францию искать более удачного места для своей работы. Он возвращался потом в Россию, снова уезжал. Предложил в 90-х годах в качестве тела накала в лампах вольфрамовую нить, и новые лампы Лодыгина демонстрировались на Парижской выставке 1900 г. В 1916 г. он уехал в США, где и умер в 1923 г.

Больше всего известности, почестей и сланы в связи с электрической лампой выпало на долю Эдисона. Но Эдисон не изобрел лампу. Он сделал нечто большее: Эдисон разработал во всех деталях систему электрического освещения н систему централизованного электроснабжения.

В 1879 г. Эдисон заинтересовался проблемой электрического освещения. Выходец из достаточно обеспеченной семьи голландских эмигрантов, будущий великий изобретатель не получил даже начального официального образования: через несколько месяцев занятий в школе он был признан ограниченным и неспособным учеником. Дальнейшим образованием он обязан своей матери, педагогу по профессии, и самостоятельным занятиям. С 12-летнего возраста он, как в свое время Фарадей, стал самостоятельно зарабатывать, продавая газеты и журналы. Некоторое время спустя он стал телеграфистом. К 1879 г. он был уже известен как изобретатель автоматического счетчика голосов, как автор усовершенствований в области многократной телеграфии и в конструкции телефонного аппарата Белла, как изобретатель фонографа.

Есть достаточно убедительные сведения о том, что Эдисон хорошо знал изобретения своих предшественников в области электрического освещения накаливанием, в том числе и работу А. Н. Лодыгина. Он находился также под впечатлением успехов «электрической свечи» Яблочкова. Впрочем, сам Эдисон любил повторять, что всегда, когда он хотел сделать что-то новое, он тщательно изучал все, что было сделано по данному предмету до него, к этому времени Эдисон имел уже прекрасную лабораторию в Менло-Парке (США) и способных помощников. Его эмиссары разъехались по всему миру в поисках наиболее подходящего растительного волокнистого материала для изготовления угольных нитей.

Эдисон сразу поставил перед собой две задачи: лампа должна создавать умеренную освещенность; каждая лампа должна гореть совершенно независимо от других. Так он пришел к выводу о необходимости иметь нить высокого сопротивления, что позволит включать лампы параллельно (а не последовательно, как до этого поступали с любыми электрическими лампами).

12 апреля 1879 г. Эдисон получил первый патент на лампу с платиновой спиралью высокого сопротивления, а затем — на лампы с угольными нитями (27 января 1980 г.). Эдисон разработал систему откачки баллонов, технологию крепления вводов и угольной нити. 1 января 1880 г. Эдисон устроил публичную демонстрацию в Менло-Парке.

Для того чтобы система освещения стала коммерческой, Эдисон должен был придумать множество устройств и элементов: цоколь и патрон (рис. 6), поворотный выключатель, плавкие предохранители, изолированные провода, крепящиеся на роликах, счетчик электрической энергии и, в заключение, построил в 1882 г; в Нью-Йорке на Пирльстрит первую центральную электростанцию. Эдисон превратил электрическую энергию в товар, продаваемый всем желающим, а электрическую установку— в систему централизованного электроснабжения. Это 6ь1Л первый в истории электротехники пример комплексного решения крупной проблемы, оказавший огромное влияние на развитие материальной и общей культуры человечества. В 1889 г. на Международной выставке в Париже чествовали двух самых знаменитых инженеров века — Эйфеля и Эдисона. В кафе на Эйфелевой башне был дан торжественный обед, на котором 71-летний композитор Шарль Гуно исполнил специально сочиненную торжественную кантату (собственноручно написанный экземпляр ее он преподнес жене и дочери Эдисона).

Уже в 80-е годы начинается быстрое развитие электрического освещения, все более расширяющееся массовое производство ламп накаливания, вызвавшее дальнейшее развитие электромашиностроительной промышленности, электроприборостроения, электроизоляционной техники и совершенствование способов производства и распределения электрической энергии.

Рис. 6. Лампа Эдисона с цоколем, патроном и выключателем (1881 г.)

Расширение области практического применения электроэнергии потребовало разработки электроизоляционных материалов. К 70-м годам XIX в. закладываются основы новых отраслей техники — кабельной и электроизоляционной. Начальный период развития кабельной техники тесно связан с работами по минной электротехнике и электромагнитному телеграфу. Первый подводный электрический кабель (Шиллинг, 1812 г.) представлял собой тонкую проволоку, покрытую двумя слоями изоляции (шелком и пенькой), причем первый слой (шелк) пропитывался специальным смолистым составом, на который затем навивалась пенька, а потом все снова пропитывалось тем же составом.

Первые подземные телеграфные кабели (Шиллинг, Якоби и яр ) изготавливались так же, провода изолировались одним или двумя слоями хлопчатобумажной пряжи с последующей пропиткой ее специальными составами (например, из воска, сала и канифоли). Защитной оболочкой служили стеклянные трубки, Уединенные резиновыми муфтами, или стальные гильзы; в отдельных случаях стеклянные трубки закладывались в деревянные желоба (при подземной прокладке).

В начале 40-х годов XIX в. создаются специальные машины. Для обвивки проводов пряжей, в качестве изоляционных материалов начинают применяться резина и гуттаперча. В 1848 г, ). Сименс изобрел пресс для бесшовного наложения на медную жилу резиновой и гуттаперчевой изоляции. Каучук был известен уже давно, но изменение свойств при незначительных колебаниях температуры препятствовало применению его для изоляции. Только после внедрения вулканизации (Гудьир, 1839 г.) резина стала распространенным электроизоляционным материалом. В начале 50-х годов впервые был получен эбонит, используемый при изготовлении различных электрических приборов и устройств. Для воздушных линий связи и первых электропередач применяли изоляторы из стекла и фарфора.

Существенную роль в улучшении качества изоляции сыграло создание свинцового пресса (1879 г.), с помощью которого изолированный провод покрывался бесшовной свинцовой оболочкой. В 90-х годах все большее применение для силовых кабелей начинает получать многослойная пропитанная маслом бумажная изоляция.

Дата добавления: 2019-09-08; просмотров: 218; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!